JP7076785B2

JP7076785B2 - ドローン充電システム

Info

Publication number: JP7076785B2
Application number: JP2018132940A
Authority: JP
Inventors: 雅史清水; 毅俊福山; 康久中村; 健治酒田; 義矢酒田
Original assignee: ユーピーアール株式会社
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2022-05-30
Anticipated expiration: 2038-07-13
Also published as: JP2020014269A

Description

本願発明は、ドローンの充電システムに関し、特に、複数のセルからなる電池を備えたドローンの充電システムに関する。

建物内部や施設内部の状態を無人飛行体（ドローン）を用いて監視するシステムが提案されている。特許文献１の建屋内調査システムは、建物の内部を移動する移動機構と移動機構に搭載可能な飛行体と移動機構に接続された遠隔装置を備えており、飛行体に設置された発光体を移動機構に設置されたカメラで撮影し、その撮影画像を用いて遠隔装置から飛行体を操作することで、建屋内を調査するものである。

また、特許文献２では、人間が立ち入ることが困難な原子力施設内等を移動可能な無人走行移動体と無人走行移動体の上面に設けられたドローン用ヘリポートを備えた搬送体が提案されており、無人走行移動体が移動できないような場所においてドローンを投入することにより、施設内における監視範囲の拡大を図っている。

特開２０１４－１０４７９７号公報国際公開２０１６－１４３８０６号公報

ここで、ドローンの活動時間を長くして、継続的に建物内部の監視を行うためには、ドローンを飛行させるためのモータを駆動する電力を供給する電池を充電する機能が必要となる。特許文献１の移動機構は、飛行体を搭載した際に飛行体のバッテリーに給電するための給電手段を備えているが、具体的な給電手段の構成や給電の方法については開示されていない

一方、特許文献２の搬送体のドローン用ヘリポートは、着陸したドローンに給電するための給電接点を備えた給電手段を有しており、ドローンの脚部にも受電用接点が設けられている。さらに、特許文献２のドローン用ヘリポートには、ドローンがヘリポートの任意の位置に着陸した場合でも、給電接点がドローンの脚部の受電用接点に接触させることが可能な機構が備えられている。

しかしながら、ドローンの電池として一般的に用いられている複数のセルからなる電池を充電する場合において、電池の能力を最大限に利用するためには、複数のセルの充電電圧を均一化することが重要となるが、特許文献２の給電手段は、２つの給電接点しか備えておらず、複数のセルからなる電池の充電に対応可能な構成とは言えないものである。

本願発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、複数のセルからなる電池を備えたドローンの充電において、電池の能力を最大限に利用することを可能とする充電動作を実現するドローン充電システムを提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本願発明のドローン充電システムは、ドローンのモータを駆動する電力を供給する電池を充電する移動充電装置を備えたドローン充電システムであって、前記ドローンは、直列接続された複数のセルからなる電池と、前記複数のセルのそれぞれに充電電圧を供給するための複数の充電用端子を備え、前記移動充電装置は、前記電池を充電するための電源部と、前記電源部の電源端子に接続され、前記複数のセルの充電電圧をバランスし、複数のバランサ端子を有するバランサと、前記複数のバランサ端子と複数の給電用端子を接続するスイッチを備え、前記スイッチは、前記複数の給電用端子と前記複数の充電用端子が接触した際に、前記ドローンに対する前記移動充電装置の相対的な位置関係に基づいて、前記複数のバランサ端子と前記複数の給電用端子の間の接続をスイッチングすることにより、前記複数の充電用端子のそれぞれに対して、対応する前記複数のバランサ端子の一つを電気的に接続し、前記電源部から、前記バランサ及び前記スイッチを介して、前記複数の充電用端子のそれぞれに前記充電電圧を供給するように構成される。

また、前記移動充電装置は、前記ドローンの画像情報を取得する画像情報取得部を備え、前記画像情報取得部により取得された前記画像情報に基づいて、前記ドローンに対する前記移動充電装置の相対的な位置関係を決定してもよい。

また、前記ドローンは、前記ドローンの本体の所定の位置に設置された照明部を備え、
前記画像取得部は、前記照明部の照明光を含む前記ドローンの画像情報を取得し、前記画像情報における前記照明光の位置に基づいて、前記ドローンに対する前記移動充電装置の相対的な位置関係を決定してもよい。

また、前記複数の充電用端子は、前記ドローンの本体の下部の所定の位置、あるいは、前記ドローンのプロペラの下部の所定の位置に設置されていてもよい。

また、前記移動充電装置は、前記複数の給電用端子が配置された２本の爪を有し、前記複数の給電用端子は、前記２本の爪の外側、内側あるいは上側のいずれかの位置に配置されていてもよい。

また、前記２本の爪の前記移動充電装置における配置位置は、前記複数の給電用端子と前記複数の充電用端子が接触するように調整可能に構成されていてもよい。

本願発明によれば、複数のセルからなる電池を備えたドローンの充電において、電池の能力を最大限に利用することを可能とする充電動作を実現するドローン充電システムを提供することができる。

図１は、本願発明の実施の形態のドローン充電システムの構成の一例である。図２は、本願発明の実施の形態のドローン充電システムを構成する移動充電装置とドローンの構成例である。図３は、本願発明の実施の形態の移動充電装置とドローンの機能ブロック図の一例である。図４は、本願発明の実施の形態の移動充電装置の充電動作を説明するための図である。図５は、本願発明の実施の形態の移動充電装置のスイッチング動作を説明するための図である。図６は、本願発明の実施の形態のドローン充電システムにおける移動充電装置の動作を説明するための図である。図７は、本願発明の実施の形態の移動充電装置の充電動作のフローチャートである。図８は、本願発明の実施の形態における移動充電装置の他の構成例を説明するための図である。

以下、本願発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本願発明は、以下に説明する実施の形態に限定して解釈されるものではない。

＜ドローン充電システムの構成＞
図１は、本願発明の実施の形態のドローン充電システムの構成の一例である。図１のドローン充電システム１は、施設内を飛行しながら画像情報を取得することにより施設内を監視するドローン２０と、着陸台２におけるドローン２０の着陸地点において、ドローン２０のモータの駆動電力を供給する電池を充電する移動充電装置１０を備える。ドローン２０は、施設内を所定のルートで飛行した後、施設内の着陸台２における着陸地点に設置されたターゲット３の画像に基づいて、ターゲット３の付近に着陸する。移動充電装置１０は、ドローン２０の画像に基づいて、着陸したドローン２０に向けて移動し、ドローン２０の電池に対して充電を行う。

＜移動充電装置とドローンの構成＞
図２は、本願発明の実施の形態のドローン充電システムを構成する移動充電装置とドローンの構成例である。移動充電装置１０は、施設内を移動可能な装置であり、ドローン２０の画像情報を取得するための画像情報取得部であるカメラ部１６とドローン２０の電池を充電するための４つの給電用端子（４０－１～４０－４）を備えた２本の爪１１を有する。この給電用端子（４０－１～４０－４）の数は、ドローン２０に搭載されている電池のセルの数に応じて適宜設定される。例えば、ドローン２０の電池が３つのセルから構成されている場合には、少なくとも４本の充電用端子（５０－１～５０－４）に対応する給電用端子（４０－１～４０－４）が必要となる。移動充電装置１０は、カメラ部１６によって取得された画像情報に基づいてドローン２０の位置と距離を判定しながら、着陸したドローン２０に向けて移動し、移動充電装置１０の給電用端子（４０－１～４０－４）とドローンの充電用端子（５０－１～５０－４）を接触させることにより、ドローン２０の電池に対して充電を行う。

図２の移動充電装置の給電用端子（４０－１～４０－４）は、２本の爪１１の外側に配置されており、給電用端子（４０－１～４０－４）を充電用端子（５０－１～５０－４）の内側から接触させるように構成しているが、この給電用端子（４０－１～４０－４）を２本の爪１１の内側に配置し、給電用端子（４０－１～４０－４）を充電用端子（５０－１～５０－４）の外側から接触させるように構成してもよい。具体的な構成は省略するが、このような構成において、２本の爪１１の移動充電装置１０における配置位置を左右に調整可能に構成することにより、給電用端子（４０－１～４０－４）と充電用端子（５０－１～５０－４）の接触をより確実にすることができる。

また、２本の爪１１の配置位置を左右に調整可能に構成することで、ドローン２０に対する移動充電装置１０の位置が傾いていた場合でも、２本の爪１１の位置の調整に伴って、移動充電装置１０に対するドローン２０の傾きを調整できるので、給電用端子（４０－１～４０－４）と充電用端子（５０－１～５０－４）の接触をより確実にすることも可能となる。

ドローン２０は、ドローン本体２１、飛行するためのプロペラ２２、および着陸するための脚部２３を備え、ドローン本体２１には、プロペラ２２を回転させるためのモータとモータを駆動する電池の他、施設内の画像情報やターゲット３の画像情報を取得するためのカメラ部２７と、施設内の障害物やターゲットとの距離を検出するためのセンサ部２８と、ドローン２０の先頭に配置され、ドローン２０の向きを検出するための照明部２６を備え、ドローン本体２１の下部には、ドローン２０の電池に充電電圧を供給するための複数の充電用端子（５０－１～５０－４）を備えている。この充電用端子（５０－１～５０－４）の数は、ドローン２０に搭載されている電池のセルの数に応じて適宜設定される。例えば、ドローン２０の電池が３つのセルから構成されている場合には、少なくとも４本の充電用端子（５０－１～５０－４）が必要となる。また、本実施の形態では、充電用端子（５０－１～５０－４）は、ドローン本体２１の下部に設置されているが、ドローン２０のプロペラ２２の下部等の他の場所に設置することもできる。

ドローン２０は、カメラ部２７によって取得された画像情報に基づいてターゲット３の位置と距離を判定し、センサ部２８によってターゲット３との距離を検出しながら、ターゲット３に接近し、ターゲット３の付近に着陸することができる。ここで、ドローン２０が取得するターゲット３の画像情報を用いることにより、ターゲット３の中心付近にドローン２０を自律的に着陸させることは可能であるが、着陸した際のドローン２０の向きが異なる場合がある。そこで、移動充電装置１０では、ドローン２０に対する移動充電装置１０の相対的な位置関係に基づいて、充電用端子（５０－１～５０－４）に対する電気的な接続をスイッチングすることで、ドローン２０の充電用端子（５０－１～５０－４）の適切な端子に充電用の電力を供給するように構成している。

図３は、本願発明の実施の形態の移動充電装置とドローンの機能ブロック図の一例である。移動充電装置１０は、施設内を移動するための移動制御部１２、ドローン２０の電池２５を充電するための電源部１３、ドローン２０の電池２５の複数のセルの充電電圧をバランスするためのバランサ１４、バランサ１４のバランサ端子をドローン２０の電池２５の対応する充電用端子に電気的に接続するためのスイッチ１５、ドローン２０の向きを検出するための画像情報を取得するためのカメラ部１６と、カメラ部１６の画像情報に基づいてスイッチ１５を制御する制御部１７を備える。

ドローン２０のドローン本体２１には、ドローン２０を飛行させるためのモータを有する飛行制御部２４、モータを駆動する電池２５の他、施設内の画像情報やターゲットの画像情報を取得するためのカメラ部２７と、施設内の障害物やターゲットとの距離を検出するためのセンサ部２８と、ドローン２０の向きを検出するための照明部２６、カメラ部２７およびセンサ部２８を制御する制御部２９を備えている。

移動充電装置１０は、移動充電装置１０のスイッチ１５の給電用端子とドローン２０の電池２５の充電用端子を接触させることにより、移動充電装置１０の電源部１３から、バランサ１４及びスイッチ１５を介して、ドローン２０の電池２５の充電用端子に充電電圧を供給することで、ドローン２０の電池２５に対する充電動作を行う。

＜移動充電装置の充電動作＞
図４は、本願発明の実施の形態の移動充電装置の充電動作を説明するための図である。図４の例では、電池２５を充電するための電源部１３と、電源部１３の電源端子に接続され、複数のセルの充電電圧をバランスし、４つのバランサ端子（３０－１～３０－４）を有するバランサ１４と、４つのバランサ端子（３０－１～３０－４）と４つの給電用端子（４０－１～４０－４）を接続するスイッチ１５を備えている。

ドローン２０の電池２５は直列接続された３つのセルから構成されており、３つのセルに充電電圧を供給するための４つの充電用端子（＃１～＃４）（５０－１～５０－４）が設置されている。複数のセルを直列に接続した電池２５の構成では、それぞれのセルの電池容量がばらついていると、電池の能力を最大限利用することができなくなるため、それぞれのセルの電池容量をバランス（均一化）することが必要となる。

例えば、電池２５が放電する場合において、直列接続した３セルのうち１つのセルが劣化している場合には、劣化しているセルは、劣化していない他の２セルに比べて早く放電終止電圧に達してしまうので、他の２セルがまだ放電可能な状態にあるにも関わらず放電を停止せざるを得ないという問題が生じる。

本実施の形態においても、３つのセルの電池容量をバランス（均一化）するために、直列接続された３セルの両端（＃１、＃４）（５０－１、５０－４）の他に、セル１とセル２の間の端子（＃２）（５０－２）とセル２とセル３の間の端子（＃３）（５０－３）を充電用端子として使用することで、３つのセルの間の電池容量をバランスしながら充電を行う。さらに、本実施の形態では、バランサ１４のバランサ端子（＃Ａ～＃Ｄ）（３０－１～３０－４）と充電用端子（＃１～＃４）（５０－１～５０－４）の間にスイッチ１５を設けて、移動充電装置１０とドローン２０の相対的な位置関係が変わった場合においても、バランサ端子（＃Ａ～＃Ｄ）（３０－１～３０－４）を対応する充電用端子（＃１～＃４）（５０－１～５０－４）と電気的に接続できるように構成している。

例えば、図５に示すように、ドローン２０が移動充電装置１０に対して横向きに着陸した場合には、カメラ部１６の画像によりドローン２０の向きを検出し、その向き応じて、スイッチ１５の接続状態を変更することにより、バランサのバランサ端子（＃Ａ～＃Ｄ）（３０－１～３０－４）を、それぞれ対応する充電用端子（＃１～＃４）（５０－１～５０－４）に電気的に接続させることができる。ドローン２０と移動充電装置１０の間の相対的な位置関係は、移動充電装置１０に設置したカメラ部１６で取得したドローン本体２１の画像情報により特定することができる。

例えば、図２に示したように、ドローン本体２１の形状がその前後において異なることを利用して、ドローン２０に対する移動充電装置１０の相対的な位置関係を特定することができる。また、ドローン本体２１の所定の位置に照明部２６を設けて照明部２６の照明光を含むドローン本体２１の画像情報を取得し、画像情報における照明光の位置に基づいて、ドローン２０に対する移動充電装置１０の相対的な位置関係を決定するようにしてもよい。さらに、ドローン本体２１の前面、後面、左右の側面を異なる色にして、ドローン本体２１の画像情報における色の位置に基づいて、ドローン２０に対する移動充電装置１０の相対的な位置関係を決定するようにしてもよい。

ドローン２０が移動充電装置１０に対して図５とは異なる向きに着陸した場合においても、スイッチ１５の接続状態を変更することにより、バランサ１４のバランサ端子（＃Ａ～＃Ｄ）（３０－１～３０－４）を、それぞれ対応する充電用端子（＃１～＃４）（５０－１～５０－４）に電気的に接続させることができる。図６は、本願発明の実施の形態のドローン充電システムにおける移動充電装置の動作を説明するための図である。図６の例は、ドローン２０が移動充電装置１０に対して後ろ向きに着陸した場合であり、検出されたドローンの向きに応じて、スイッチ１５の接続状態を変更することにより、バランサのバランサ端子（＃Ａ～＃Ｄ）（３０－１～３０－４）を、それぞれ対応する充電用端子（＃１～＃４）（５０－１～５０－４）に電気的に接続させることができる。

図７は、本願発明の実施の形態の移動充電装置の充電動作のフローチャートである。移動充電装置は、カメラ部が取得した画像情報に基づいてターゲットの位置にドローンが着陸したことを検出し（Ｓ１－１）、ドローンに向けて移動を開始する（Ｓ１－２）。

移動充電装置は、カメラ部が取得した画像情報を用いてドローンの向きを検出し（Ｓ１－３）、給電用端子のドローン本体の下部に挿入することにより、給電用端子とドローンの充電用端子を接触させる（Ｓ１－４、Ｓ１－５）。

電極を挿入した後、画像情報を用いて検出したドローンの向きに基づいて、スイッチの接続状態を変更することにより、バランサのバランサ端子（＃Ａ～＃Ｄ）を、それぞれ対応する充電用端子（＃１～＃４）に電気的に接続させ（Ｓ１－６）、各セル間の電池容量をバランスしながら充電を行う（Ｓ１－７～Ｓ１－９）。

＜その他の実施の形態＞
上記実施の形態では、移動充電装置１０の給電用端子（４０－１～４０－４）は、２本の爪１１の外側または内側に配置していたが、図８に示すように、移動充電装置１０の給電用端子（４０－１～４０－４）を、２本の爪１１の上側に配置し、充電用端子（５０－１～５０－４）の下側から接触させるように構成することもできる。この場合には、２本の爪１１の位置を上下左右に調整可能に構成することにより、給電用端子（４０－１～４０－４）と充電用端子（５０－１～５０－４）の接触を確保することができる。

以上述べたように、本願発明の実施の形態においては、ドローンに対する移動充電装置の相対的な位置関係に基づいて、移動充電装置のバランサ端子と給電用端子の間の接続をスイッチングするように構成したので、複数のセルからなる電池を備えたドローンの充電において、電池の能力を最大限に利用することを可能とする充電動作を実現するドローン充電システムを提供することができる。

１…ドローン充電システム、２…着陸台、３…ターゲット、１０…移動充電装置、１１…爪、１２…移動制御部、１３…電源部、１４…バランサ、１５…スイッチ、１６…カメラ部、１７…制御部、２０…ドローン、２１…ドローン本体、２２…プロペラ、２３…脚部、２４…飛行制御部、２５…電池、２６…照明部、２７…カメラ部、２８…センサ部、２９…制御部、３０－１～３０－４…バランサ端子、４０－１～４０－４…給電用端子、５０－１～５０－４…充電用端子

Claims

ドローンのモータを駆動する電力を供給する電池を充電する移動充電装置を備えたドローン充電システムであって、
前記ドローンは、
直列接続された複数のセルからなる電池と、前記複数のセルのそれぞれに充電電圧を供給するための複数の充電用端子を備え、
前記移動充電装置は、
前記電池を充電するための電源部と、前記電源部の電源端子に接続され、前記複数のセルの充電電圧をバランスし、複数のバランサ端子を有するバランサと、前記複数のバランサ端子と複数の給電用端子を接続するスイッチを備え、
前記スイッチは、
前記複数の給電用端子と前記複数の充電用端子が接触した際に、前記ドローンに対する前記移動充電装置の相対的な位置関係に基づいて、前記複数のバランサ端子と前記複数の給電用端子の間の接続をスイッチングすることにより、前記複数の充電用端子のそれぞれに対して、対応する前記複数のバランサ端子の一つを電気的に接続し、前記電源部から、前記バランサ及び前記スイッチを介して、前記複数の充電用端子のそれぞれに前記充電電圧を供給するように構成される
ドローン充電システム。
前記移動充電装置は、前記ドローンの画像情報を取得する画像情報取得部を備え、前記画像情報取得部により取得された前記画像情報に基づいて、前記ドローンに対する前記移動充電装置の相対的な位置関係を決定すること
を特徴とする請求項１記載のドローン充電システム。
前記ドローンは、前記ドローンの本体の所定の位置に設置された照明部を備え、
前記画像情報取得部は、前記照明部の照明光を含む前記ドローンの画像情報を取得し、前記画像情報における前記照明光の位置に基づいて、前記ドローンに対する前記移動充電装置の相対的な位置関係を決定すること
を特徴とする請求項２記載のドローン充電システム。
前記複数の充電用端子は、前記ドローンの本体の下部の所定の位置、あるいは、前記ドローンのプロペラの下部の所定の位置に設置されていること
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドローン充電システム。
前記移動充電装置は、前記複数の給電用端子が配置された２本の爪を有し、前記複数の給電用端子は、前記２本の爪の外側、内側あるいは上側のいずれかの位置に配置されていること
を特徴とする請求項４記載のドローン充電システム。
前記２本の爪の前記移動充電装置における配置位置は、前記複数の給電用端子と前記複数の充電用端子が接触するように調整可能に構成されていること
を特徴とする請求項５記載のドローン充電システム。